(57)【要約】【課題】発電時の発熱を水蒸気改質反応のための熱源として効率良く利用すると共に、改質時の吸熱反応による冷却作用を利用して燃料電池スタックの温度分布を均一化することにより、発電の効率化を図った固体酸化物形燃料電池を提供する。【解決手段】発電セル７とセパレータ１０を交互に積層して燃料電池スタック３を構成し、当該燃料電池スタック３の内部に燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池において、前記燃料電池スタック３の少なくとも両端部分ａ，ｂを除く周辺部に、炭化水素触媒を充填した燃料ガスの改質触媒管３０を配置した。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成し、当該燃料電池スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池において、
前記燃料電池スタックの少なくとも両端部分を除く周辺部に、炭化水素改質触媒を充填した燃料ガスの改質触媒管を配置したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記改質触媒管が前記燃料電池スタックの周囲に螺旋状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層したスタック構造を有する固体酸化物形燃料電池に関し、特に、燃料電池スタックの温度分布を均一化することにより効率的な発電を可能にした固体酸化物形燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、この固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、および平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を空気極層と燃料極層との間に挟んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルとセパレータを交互に積層することにより所定出力の燃料電池スタックが構成できる。
【０００３】
発電セルには、空気極側に酸化剤ガスとしての酸素（空気）が、燃料極側に燃料ガス（Ｈ２  、ＣＯ、ＣＨ４  等）が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている。空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ２−）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ２  Ｏ、ＣＯ２  等）を生じ、燃料極に電子を放出する。
【０００４】
燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極：  １／２  Ｏ２  ＋          ２ｅ−    →  Ｏ２−
燃料極：          Ｈ２  ＋          Ｏ２−    →  Ｈ２  Ｏ＋２ｅ−  
全体  ：          Ｈ２  ＋  １／２  Ｏ２      →  Ｈ２  Ｏ
【０００５】
ところで、このような固体酸化物形燃料電池に使用される燃料ガスは天然ガス（メタンガス）等の炭化水素化合物であるため、実際はこの原燃料を水素を主成分とする燃料ガスに改質してから使用する必要がある。改質の方法として、原燃料が炭化水素系の気体燃料や液体燃料の場合、通常は水蒸気改質法が用いられている。
【０００６】
例えば、メタンガスを原燃料とする改質反応は次のようになる。
脱硫されたメタンガスは、改質器で水蒸気を加えられて、水素と一酸化炭素になる。この改質反応は吸熱反応であって、温度は６５０〜８００℃程の高温を必要とする。
ＣＨ４  ＋Ｈ２  Ｏ→３Ｈ２  ＋ＣＯ
この時、生成された一酸化炭素は、さらに水蒸気と反応して水素と二酸化炭素に変わる。
ＣＯ＋Ｈ２  Ｏ→Ｈ２  ＋ＣＯ２
【０００７】
固体酸化物形燃料電池の燃料改質としては、外部に改質器を設置する外部改質法や高温の燃料電池モジュールの内部に直接改質機構を組み込んだ内部改質法が知られているが、水蒸気改質反応が吸熱反応であることから、改質反応のための熱を供給する必要がある外部改質法は発電効率が悪く、よって、近年では、燃料電池で発生する熱の一部を改質反応の吸熱反応に利用できる効率的な内部改質法が注目されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特に、平板積層型の燃料電池スタックでは、その積層方向の温度分布を調べてみると、発電セルの積層方向においてスタック両端付近の温度が中側部分に比べて極端に低下するという傾向が見られる。これは、両端を除く部分は各発熱体（発電セル）が別の発熱体により挟まれる構造であるため運転時の発電セルのジュール熱がスタック外に発散し難く、一方、スタック両端部の発電セルはモジュール内雰囲気に直接接触しているためジュール熱が発散し易いことに起因している。温度が低い部分の発電セルは、高温部分の発電セルに比べて電極反応が活発に行われないため発電性能が低下している。
【０００９】
従って、複数の発電セルを直列に接続して構成される燃料電池スタックでは、燃料電池スタックの積層方向にこのような両肩下がりの温度分布が生じていると、スタック中側部分の発電セルに高い発電性能が得られていても、燃料電池全体の発電性能が低温部の発電セルの発電性能で制限されることになってしまう。
【００１０】
しかしながら、既述したように、改質反応は吸熱反応であるから、この吸熱反応による冷却作用を効果的に利用することにより、このようなスタック内温度分布の不均一を改善できるものと考えられる。
【００１１】
本発明は、上記した考えに基づいて成されたもので、発電時のスタックの発熱を水蒸気改質反応のための熱源として効率良く利用すると共に、改質時の吸熱反応による冷却作用を利用して燃料電池スタックの温度分布を均一化することにより、発電の効率化を図った固体酸化物形燃料電池を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成し、当該燃料電池スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池において、前記燃料電池スタックの少なくとも両端部分を除く周辺部に、炭化水素改質触媒を充填した燃料ガスの改質触媒管を配置したことを特徴としている。
【００１３】
本構成では、温度の高い燃料電池スタックの中側部分における発電セルからの発熱を効率良く吸収して改質反応に利用することができ、且つ、その際の吸熱反応で燃料電池スタックの中側部分を冷却することができる。その結果、燃料電池スタックの積層方向の温度分布が均一化され、効率的な発電が可能となる。
【００１４】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記改質触媒管が前記燃料電池スタックの周囲に螺旋状に配置されていることを特徴としている。
【００１５】
このように、改質触媒管を蛇管構造とすることにより、排熱に対する受熱面積が大きくなり改質反応が良好に行われると共に、燃料電池スタックの高温部分の冷却効果も向上する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図３に基づいて本発明の実施形態を説明する。
【００１７】
図１は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の全体構成を示している。
図１において、符号１は固体酸化物形燃料電池、符号２はハウジング、符号３は積層方向を縦にしてハウジング２内に配置された燃料電池スタックである。この燃料電池スタック３は、固体電解質層４の両面に燃料極層５および空気極層（酸化剤極層）６を配した発電セル７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、空気極層６の外側の空気極集電体（酸化剤極集電体）９と、各集電体８、９の外側のセパレータ１０を順番に積層した構造を有する。
【００１８】
ここで、固体電解質層４はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層５はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層６はＬａＭｎＯ３  、ＬａＣｏＯ３  等で構成され、燃料極集電体８はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体９はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ１０はステンレス等で構成されている。
【００１９】
また、燃料電池スタック３の側方には、各セパレータ１０の燃料通路２６（図２参照）に接続管１１を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールド１３と、各セパレータ１０の酸化剤通路２５（図２参照）に接続管１２を通して酸化剤ガスとしての空気を供給する酸化剤用マニホールド１４とが、発電セル７の積層方向に延在して設けられている。
【００２０】
また、マニホールド１３、１４の外周側には、燃料ガス予熱管１５、酸化剤ガス予熱管１６と、各予熱管１５、１６および燃料電池スタック３を予熱するための加熱手段としてヒータ２０が周設されている。ヒータ２０および予熱管１５、１６は、ハウジング２の内部に収容されており、ハウジング２内の各予熱管１５、１６に対して外部の燃料ガス供給管１７、酸化剤ガス供給管１８がそれぞれ接続されている。
【００２１】
また、この固体酸化物形燃料電池１は、発電セル７の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、図２に示すように、燃料通路２６および酸化剤通路２５を通してセパレータ１０の略中心部から発電セル７に向けて供給される燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を、発電セル７の外周方向に拡散させながら燃料極層５および空気極層６の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった残余のガスを、発電セル７の外周部から外に自由に放出するようになっている。また、ハウジング２には、その内部空間２１に放出された余剰ガスを、ハウジング２の外に排出するための排気管（排気穴）２２ａ、２２ｂが設けられている。
【００２２】
次に、図３は本実施形態による燃料改質機構を示している。図３中、符号３は発電セル７とセパレータ１０を交互に複数積層して構成した円筒状の燃料電池スタックを示し、この燃料電池スタック３の周囲を囲むように、その近傍に、内部に炭化水素改質触媒（図示せず）を充填した改質触媒管３０が配置されている。
【００２３】
この改質触媒管３０の一端側より燃料ガス（原燃料）と水蒸気の混合ガスが供給されるようになっており、他端側が図示しない配管により燃料用マニホールド１３（図１参照）に接続されて燃料改質機構を構成している。改質触媒管３０は、燃料電池スタック３の少なくとも両端部分ａ、ｂを除くスタック中側部分の周囲に螺旋状に配管されており、このような状態に配管されたものを蛇管という。
【００２４】
改質触媒管３０の内径は１２〜２４φとされ、管内には炭化水素触媒として、Ｎｉ系触媒、或いはＲｕ系触媒が適量充填されて、管内のＳＶ（ＳＶ：反応ガス体積流量／触媒体積）を５００ｈ−１  以上としている。
【００２５】
上記構成の燃料改質機構において、運転時に改質触媒管３０には燃料ガスである炭化水素ガス（ＣＨ４  ）と高温水蒸気の混合ガスが導入されることにより混合ガスは炭化水素改質触媒に接触し、水蒸気改質法による炭化水素ガスの改質反応が行われ、水素リッチな改質ガス（Ｈ２  、ＣＯ、ＣＯ２  ）を生成する。
【００２６】
この改質反応は吸熱反応であって、改質反応に必要な熱（例えば、６５０〜８００℃）は、主に近傍に改質触媒管３０が配設される燃料電池スタック３の中側部分からの発熱を利用して得られる。
既述したように、燃料電池スタック３の中側部分は両端部分に比べて温度が高く、発電セルより放出される排ガスも高温である。加えて、改質触媒管３０は蛇管構造であり、排熱に対する受熱面積は極めて大きいものであるため、改質触媒管３０を介して改質反応に十分な熱を得ることができ、且つ、管内のＳＶは５００ｈ−１  以上としているため、コンパクトな改質器の設計が行える。
【００２７】
本発明では、また、係る改質時の吸熱反応を燃料電池スタックの冷却に利用している。
即ち、図３の温度分布に示すように、燃料電池スタックの周囲に燃料改質機構が配設されていない従来型の場合、燃料電池スタック３の積層方向（縦方向）の温度分布は実線で示す両肩下がりの特性となるが、高温となる燃料電池スタックの中側部分に燃料改質機構を配した本発明では、吸熱反応の冷却効果で高温部分は、破線で示すように温度が低下するため、高温部と低温部の温度差を極力無くし、積層方向の全域に亘ってほぼ均一な温度分布を得ることができ、発電の効率化が図れる。加えて、破線のように高温部の発電セルの温度を低減することにより、熱応力による燃料極層の剥離等、発電セル７の破損が防止でき、燃料電池の耐久性（熱サイクル特性）が向上する。
【００２８】
燃料改質機構で得られた水素リッチな改質ガスは、改質触媒管３０の端部より図示しない配管を通して図１に示す燃料用マニホールド１３に誘導され、ここから各接続管１１を通して各セパレータ１０の側部に導入される。さらに、図２に示すように、改質ガスはセパレータ１０の側面から燃料通路２６を通して燃料極側に吐出し、燃料極集電体８内を拡散移動して燃料極層５に達する。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明によれば、燃料電池スタックの少なくとも両端部分を除く周辺部に燃料ガスの改質触媒管を配置したので、温度の高い燃料電池スタックの中側部分における発電セルからの排熱を効率良く吸収して改質反応に利用することができ、且つ、その際の吸熱反応で燃料電池スタック中側部分を冷却することができる。その結果、燃料電池スタックの積層方向の温度分布を均一化でき、効率的な発電が可能となる。
【００３０】
また、請求項２に記載の本発明によれば、改質触媒管を蛇管構造としたので、排熱に対する受熱面積が大きくなって改質反応が良好に行われると共に、燃料電池スタックの高温部分の冷却効果も向上するため、温度分布の均一化もより一層確実に行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の具体的構成を示す断面図。
【図２】燃料電池スタックの要部概略構成図で、運転時のガスの流れを示す。
【図３】本発明の実施形態の説明に用いる燃料改質機構の構成を示す図。
【符号の説明】
１  固体酸化物形燃料電池
３  燃料電池スタック
７  発電セル
１０  セパレータ
３０  改質触媒管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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